中國農業大學韓魯佳教授團隊張學松課題組在農業廢塑料化學升級回收領域取得系列突破性進展

導讀

近日，中國農業大學工學院農業生物質資源利用工程實驗室張學松教授課題組在系列自然指數期刊ACS Nano、Nano Letters（3篇）、Chemical Communications連續發表5篇研究論文。研究圍繞典型廢塑料的化學結構特性，開發出一系列高性能催化材料與工藝，實現對轉化路徑的精準調控，為廢塑料的高值化與資源化利用提供了系統性的可持續技術方案。

塑料在農業生產中應用廣泛，但由此產生的廢棄物對生態環境與公共健康帶來的危害正日益凸顯。通過化學回收將塑料廢棄物升級轉化為綠氫、碳材料、可持續航空燃料等高附加值產品，被視為兼具環境效益與資源效益的有效路徑。然而，現有催化體系普遍面臨成本高、轉化效率低、產物選擇性不佳等挑戰，亟待開發適配不同塑料類型的高性能催化材料，以實現反應路徑的精準調控與目標產物的高效合成。

廢塑料原位變身電催化劑橋接熱?電催化聯產綠氫

該系列研究首先從直鏈結構的聚乙烯塑料入手，開創性地提出一種可持續集成策略，將聚乙烯廢塑料耦合轉化為高性能電催化劑和高純度綠氫。課題組設計了一種負載Ni納米顆粒的微孔碳催化劑，實現對聚乙烯塑料的高效熱催化轉化，H2產率達55.26 mmol g-1 plastic。此過程的核心突破在于原位合成廢塑料衍生的Ni-CNTs-OMC納米復合材料并應用于電催化析氫反應，其在堿性電解質中展現出優異的催化性能，僅需215 mV過電位即可驅動10 mA cm-2的電流密度，且歷經15000次循環后未見明顯性能衰減。

該研究在分子水平上揭示了廢塑料衍生電催化劑通過Ni封裝結構調控碳納米管電子分布，強化電極-電解液界面氫鍵網絡，降低水分子解離能壘并優化氫中間體吸附，進而加速析氫反應動力學的機理。這一新進展為廢塑料熱催化資源化利用與電催化清潔能源生產構建了橋梁。研究成果以《塑料熱催化升級回收制備鎳封裝碳納米管電催化劑用于綠氫生產》（Thermocatalytic Upcycling of Plastic into Ni-Encapsulated Carbon Nanotube Electrocatalysts for Green Hydrogen Production）為題在《美國化學會納米》（ACS Nano）發表。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c19481?ref=pdf

農業聚乙烯廢塑料化學升級回收為納米復合材料橋接熱催化-電催化聯產綠氫的過程

微孔碳解鎖廢聚乙烯制取液體燃料新路徑

針對傳統金屬-沸石體系在聚乙烯化學升級回收中存在的過度裂解、易失活等問題，課題組提出一種無貴金屬的分級熱催化降解級聯策略，設計并合成了鋅功能化、富含氧官能團和布朗斯特酸位點的微孔碳催化劑，實現聚乙烯向燃料范圍正構烷烴和輕質芳烴的選擇性轉化，對汽油（C4-C12）和可持續航空燃料（C8-C16）范圍烴類的碳選擇性分別達89.65 mol%和71.68 mol%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了在分子精度引導異構化和鏈裂解的碳正離子錨定機制。

該級聯體系在升級回收多種真實農業廢塑料時同樣有效，為聚乙烯塑料的可控、規模化化學回收構建了路徑。研究成果以題《構建用于聚乙烯升級回收中可控鏈裂解與芳構化的微孔鋅功能化碳催化劑》（Engineering Microporous Zn-Functionalized Carbon Catalysts for Controllable Chain Cracking and Aromatization in Polyethylene Upcycling）發表于《納米快報》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05930?ref=pdf

農業聚乙烯廢塑料通過微孔碳催化轉化為正構烷烴和輕質芳烴的化學升級回收過程

三元納米活性中心協同構筑支鏈烯烴

針對聚丙烯的復雜支鏈結構，課題組開發出NiO-NiAl2O4-Al2O3三元活性納米復合材料，旨在生產異構烯烴這一重要化工原料。通過將NiO/NiAl2O4納米顆粒尺寸調控至約5 nm，顯著提升了活性位點密度與界面反應活性。催化劑可在30次循環中保持高穩定性和活性，液體產率最高達63.33 wt%，且以異構烯烴為主。對真實廢棄物進行回收時，產物中汽油（C4–C12）選擇性高達90.18 mol%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了三元位點的協同機制：路易斯酸位點誘導聚丙烯鏈活化與預裂解，NiO/NiAl2O4位點促進脫氫與C-C鍵斷裂，Al2O3酸性位點參與異構化與芳構化。

該工作為聚丙烯塑料的高值化利用提供了新途徑。研究成果以題《三元活性NiO?NiAl2O4?Al2O3納米復合材料選擇性升級回收聚丙烯制液態支鏈烯烴》（Ternary-Active NiO?NiAl2O4?Al2O3 Nanocomposite for Selective Upcycling of Polypropylene into Liquid Branched Olefins）發表于《納米快報》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02752?ref=pdf

廢棄聚丙烯通過三元活性納米復合催化劑催化轉化為高值化學品的化學升級回收過程

聚丙烯向支鏈α-烯烴的高值跨越

圍繞異構α-烯烴這一高附加值工業原料，課題組提出基于M-Zn共摻雜分級多孔碳（M-Zn/HPC）的熱解-催化升級策略。其中，雙金屬Mo2C-Zn/HPC催化劑性能最優，液態產物產率達887.3 mL/kgplastic，異構α-烯烴選擇性高達54.5 Cmol%。機理研究表明，聚丙烯首先通過自由基斷裂生成中間體，隨后在Mo2C-Zn/HPC的雙活性中心進行催化重整。晶格畸變的Mo2C促進了C-H鍵的活化，并與Zn/HPC的酸性位點協同促進β斷裂等反應，從而高效生成異構α-烯烴。

該催化劑對日常生活中的塑料廢棄物同樣展現出優異的穩定性，為工業化應用提供了理論依據和技術思路。研究成果以題《多級孔碳負載Mo2C-Zn納米簇催化塑料升級制備長鏈異構α-烯烴》（Long-Chain Branched α-Alkenes from Plastic Upcycling Using Mo2C-Zn Nanoclusters Embedded on Hierarchical Porous Carbon）發表于《納米快報》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05628?ref=pdf

雙金屬Mo2C-Zn/HPC催化聚丙烯轉化為異構α-烯烴的反應路徑

鈣鈦礦雙活性中心破解聚酯塑料制氫難題

基于聚烯烴體系的研究基礎，課題組進一步攻克結構含氧的聚酯塑料，開發出蒸汽強化熱催化降解技術，將聚酯塑料高效、穩定地轉化為富氫氣體。該研究采用溶膠凝膠-分級煅燒法合成了氧空位濃度可調控的NiO-Ce1-xNixO2雙活性位點鈣鈦礦型催化劑，并通過聚酯塑料的催化降解過程對其催化性能進行評估。CeNiO3催化降解聚酯塑料所得H2產率與碳轉化率最高，分別達54.58 mmol gPET-1和83.13%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了催化反應機理：Niδ+-Ov-Ce3+位點具有較強的電荷轉移能力和更高的氧空位濃度，能促進CO吸附和H2O解離，從而展現出極佳的催化性能。

該研究開發出一條可調控的廢塑料定向低碳轉化路徑。研究成果以題《用于催化升級回收PET制備氫氣的NiO-Ce1-xNixO2雙活性位點納米復合材料》（A dual-active NiO-Ce1-xNixO2 nanocomposite for catalytically upcycling PET into H2）發表于《化學通訊》（Chemical Communications）。

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CC/D5CC01304F

催化劑的晶體結構和電子結構及其催化降解聚酯塑料的反應機理

中國農業大學為第一和通訊作者單位，研究生王錦、程晴、江源、劉芳杞、單純為相關論文的第一作者，張學松教授為論文的通訊作者，韓魯佳教授在研究過程中全程提供支持與指導。研究工作得到國家自然科學基金、國家現代農業產業技術體系和中國農業大學2115人才培育發展計劃的資助。

來源：中國農業大學